BIM技術在城市隧道工程中的應用

朱偉南

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

BIM技術在城市隧道工程中的應用

朱偉南

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

近幾年隨著BIM技術在建筑領域深入應用，也取得了很多的功案例和經驗，相比較建筑領域，市政工程項目對于BIM技術的應用相對滯后，尤其是道路、橋梁、管道以及隧道等市政基礎設施，建設條件復雜，設計、施工管理的手段仍然陳舊，投資控制薄弱，亟需通過有效的技術管理手段，提升工程整體質量技術在市政工程行業得到日益深入的應用與推廣。本文以楊高南路新建隧道工程為例，重點講述BIM在城市隧道工程中的技術應用。

BIM技術應用;三維協同設計;工程算量

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.13

引言

BIM(Building Information Modeling)是一種全新的理念，它涉及到從規劃、設計、施工、運維等一系列創新和變革，是將來市政行業信息化的發展的必然趨勢。BIM 技術的研究對于實現項目生命期管理，提高市政行業設計、施工、運營的科學技術水平，促進市政行業全面信息化和現代化，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。

BIM建筑信息模型這一技術于上世紀70年代起源于美國，后傳播至英國、日本以及韓國等地，已逐漸成為建筑行業發展的主流方向。BIM全生命周期管理解決了復雜項目的信息溝通難題，該技術于本世紀初傳入中國，近年來市政建設行業的各個領域逐漸開始嘗試采用BIM技術，為提高設計和管理水平而探索。

隧道工程從地理形置上可以分為敞開段、暗埋段、合建段，從空間結構上可以劃分為：道路結構、圍護結構、內部結構、建筑結構、機電結構等，隧道工程是屬于復雜的系統工程項目。

1 隧道工程前期BIM應用規劃

1.1 項目概況

楊高路(世紀大道-浦建路)改建工程范圍北起世紀大道下立交(世紀大道環島桃林路)，南至浦建路(浦建路跨線橋)，工程范圍全長約1 975m，道路等級為城市主干路。

本工程建設內容為道路、隧道結構、橋梁(張家浜橋)、雨污水排管、交通標志標線、信號燈、通風、監控、供配電、建筑、綠化等相關道路附屬設施及前期綠化與管線搬遷工作等。

圖1 項目規劃

1.2 BIM應用目標

隧道工程的設計涉及到參與的部門、專業人員較多，資料交接與溝通次數頻繁，屬于復雜的系統工程。為了解決本項目中設計、施工技術難點擬制定以下應用目標：

1)探索隧道工程的三維設計流程；

2)通過建立隧道圍護、結構、橋梁、機電等模型可以檢查不同專業之間的空間位置關系，復核設計圖紙，驗證施工時的可操作性等；

3)施工招標過程中工程量校核。

1.3 BIM應用環境

本項目選用了達索3DEXPERIENCE平臺作為解決方案，該平臺作為一個全生命周期的管理平臺(PLM)，能夠滿足多專業、跨部門的項目人員基于同一個CAD載體，在同一個環境下展開協同設計、方案討論等工作，項目協同工作是一個數據、信息、知識共享和集成的過程。在達索V6平臺新增加了市政工程的模塊包(CIVIL ENGINEERING)，該模塊建筑、橋梁專業的一些構件類型，它的架構是一個典型的客戶端/服務器端(Client/Server)軟件架構系統。

圖2 軟件架構

1.4 BIM實施方案

根據本項目定義應用目標，結合隧道結構本身的特點，制定建模標準和流程，配置應用環境； 建模之前需要設計項目結構樹，指定項目成員，分配項目任務、設定成員角色的權限； 明確不同專業人員模型交接的內容，實現在統一平臺上進行模型搭建和管理的工作。

圖3 項目分配

1.5 BIM團隊組織架構

根據BIM項目實施的內容和要求，BIM團隊的建立最頂層需要項目總工負責BIM技術的審核，中間層由BIM項目負責人負責制定關鍵技術路線及任務的分派、執行層由設計人員，軟件二次開發人員，系統管理員等不同角色負責具體的執行工作，具體人員如表1所示。

表1 BIM團隊組織架構

序列項目角色人員1技術顧問道路專業總工結構專業負責人2BIM項目負責人專業負責人3設計人員道路工程師結構工程師橋梁工程師機電設計師建筑工程師4IT支持組軟件技術主管軟件技術工程師5系統管理員系統維護人員

2 隧道工程的BIM應用

2.1 協同設計的工作流程

傳統隧道工程項目一般都是由道路專業負責人通過方案會等形式與各配合專業充分溝通后，完成道路平面、縱斷面和橫斷面的設計，并將設計模型及數據文件提交給橋隧、排水、通風、照明、管線綜合、景觀等相關專業，各專業再進行后續設計。三維協同設計創新了傳統的二維設計模式，由道路工程設計負責人員牽頭，前期先在設計軟件中定義工程項目主體道路中心線，在中心線上創建樁號的地理位置，并在模型結構樹上發布相關的設計參數。后期的設計人員在已設計的道路中心線上，確定隧道結構、頂、底、側墻等厚度、變形縫位置等等，并與建筑、機電、通風、照明、排水等專業溝通確定設施設備的布設位置，完成后續的深化建模工作。

2.2 項目結構樹的設計

項目結構樹的設計應該遵循自頂而下的設計方法，在總體設計初期就要從工程裝配的最高層面上考慮工程的設計結構，定義整個工程的關鍵定位、布置基準、及各個構筑物相對位置關系，自上而下傳遞設計數據信息表達(表2)。

表2 項目結構樹的設計

項目名稱一級結構樹二級結構樹三級結構樹楊高路隧道工程項目骨架模型設計參數道路中心線樁號位置結構外輪廓面參數發布(中心線及樁號位置等)道路標示標線、路牌、鋪裝、瀝青、排水溝等隧道結構模型分支骨架主體結構節段號墻、梁、板、柱、側石、通風口、人行出入口、車庫出入口等人行出入口人行出入口序號墊層、底板、側墻、樓梯、出入口頂蓬、臺階等車庫出入口左、右出入口墊層、底板、側墻、橫梁等匝道左、右匝道側墻、墊層、底板、頂板、側石、防撞墩隧道圍護模型分支骨架灌注樁、圍檀、攪拌樁加固、攪拌樁、地下連續墻、工法樁、混凝土支撐鋼支撐、地基加固等橋梁分支骨架上部結構主梁、塔、拉索、錨箱等下部結構沉臺、樁基、支座、墊層附屬設施瀝青、欄桿、路燈、標線建筑消防泵房、設備泵房、雨水泵房、設備間、墻、頂板、底板、集水坑等機電水暖電管道、設備、消防、給水管、排水管、電力、電氣管等照明、潛水排污泵

圖4 創建模型結構樹

2.3 隧道工程的骨架模型

(1)由道路專業的項目負責人在最頂層的結構樹上創建骨架，模型骨架設計指在對整個隧道工程的設計流程和結構充分理解后，結合實際項目的工程范圍運用主要的線框控制元素對整個項目結構進行有效的總體控制，形成類似樹干結構的骨架模型，并建立有效的參數信息傳遞框架及設計方法，將已完成的草繪、設計基準、幾何特征、相關參數發布到模型樹的相關節點下，確保能實現通過骨架線框驅動模型的功能。

圖5 道路中心線及樁號骨架模型

(2)建立完項目的骨架模型后，其它不同專業的設計人員可以基于骨架模型開展設計工作任務。結構設計負責人在項目結構樹下創建隧道圍護、內部結構、地下人行通道的模型等，建筑設計負責人創建雨水泵房、消防泵水、污水泵房、配電間等建筑模型，機電專業設計負責人創建機電的模型。滿足不同專業之間的人間開以同步基于一個模型展開設計工作，即時的發現不同專業間的模型是否存在干涉現象，設計是否存在缺陷。

圖6 隧道結構模型

圖7 隧道機電模型

MEP模型

2.4 創建鋼筋模型

BIM鋼筋模型是對結構施工的一次“預演”，建模過程也是一次全面的模校審過程。在此過程中可以發現大量設計施工問題，提前細化鋼筋的下料排布，建模完成后利用已建BIM模型進行施工模擬輔助施工，也可以通過鋼筋模型計算工程用量并生成用料清單列表，便于編寫物質采購計劃，加強工程鋼筋用量控制。

三維鋼筋布置主要依托三維模型的結構面，用戶可以在三維模型中，選取一個或多個結構面后指定鋼筋的布置范圍、保護層厚度、間距、鋼筋類型、直徑等信息，通過創建好的鋼筋模型，可以提取鋼筋的屬性參數，鋼筋的根數、長度、重量、總重等生成Excel文件。

市政工程的項目鋼筋種類與數量比較龐大，不宜采用傳統的手工建模方式，耗費大量的時間精力，效率不高，容易發生錯誤。可以通過CATIA的產品知識模板(Engineering Template)及Engineering Rule Capture兩個模塊，快速陣列鋼筋模型，具體的執行操作如下：

1)提取隧道結構模型的外表面作為鋼筋模板的輸入條件；

2)設定鋼筋保護層的厚度，并發布成參數；

3)通過CATIA二維線框命令草繪不同類型鋼筋的大樣圖；

4)利用CATIA提供的掃掠命令生成鋼筋的三維模型，并作為鋼筋模板的源文件；

5)通過EKL語言快速生成生維的模型；

let C(Curve)

let P(Point)

let Pl(Plane)

let i(Integer)

let n(Integer)

let rad(length)

rad=Rebar_Radius

i=1

n=int(length(`Geometrical Set.2Extract.1`)/Length.1)-1

for i while i<=n

{

P=pointoncurve(`Geometrical Set.2Extract.1`，`Geometrical Set.2startPoint`，i*Length.1，true)

C=CreateOrModifyDatum(“Curve”，`GeometricalSet.2`，`RelationsKnowledge Pattern.1List.1`，i)

Pl=planenormal(`Geometrical Set.2Extract.1`，P)

C=intersect(Pl，`External ReferencesSurface.1`)

i=i+1

}

6)生成鋼筋模型；

7)生成鋼筋的統計表。

2.5 BIM工程算量

(1)構件拆分原則

在創建BIM模型之前，需要確定隧道工程各專業分部分項列表，制定基于BIM模型的工程算量開項列表，并提供滿足招標要求的土建、機電、裝修工程量輔助統計，包括標準構件及特殊結構的鋼筋用量等，具體的構件的拆分應按照隧道的空間結構關系及施工工藝順序來制定，如隧道內部結構可以按照樁號的位置進行地理位置上的拆分，具體到每一個節段可以按照墊層、底板、側墻、中隔墻、頂板、側石、鋪裝、瀝青等不同的部位再進行結構拆分，如圖9所示。

圖8 鋼筋BIM模型

表3 鋼筋統計表

名稱構件部位鋼筋直徑單根質量單根長度值總重SD_JG_Y20_RB02側墻DN51.58NL5150786956.39SD_JG_Y20_RB02側墻DN61.58NL6150786956.39SD_JG_Y20_RB02側墻DN161.58NL16219205437.48SD_JG_Y20_RB02側墻DN170.888NL17660841.025SD_JG_Y20_RB02底板DN24.83NL23034021395.2SD_JG_Y20_RB02底板DN2a6.31NL2a700012897.6SD_JG_Y20_RB02底板DN2b6.31NL2b600011055.1SD_JG_Y20_RB02底板DN33.85NL32865016104.2SD_JG_Y20_RB02底板DN183.85NL182192033081.7SD_JG_Y20_RB02底板DN190.888NL1915604955.15SD_JG_Y20_RB02底板DN201.58NL2014951379.47

(2)圍護與結構模型的構件拆分列表清單

表4 構件拆分表

序列類型構件名1結構模型拆分底板、左側石、右側石、中央防撞墩、左側墻、右側墻、中板、頂板、縱向施工縫、中隔墻、瀝青、墊層、鋪裝2圍護模型拆分灌注樁、圍檀、攪拌樁加固、攪拌樁、地下連續墻、工法樁、混凝土支撐、鋼支撐、鋼連系梁、鋼格構柱

(3)提取BIM工程量

通過公式計算得到每組構件的工程量數據，完成所有的構件模型后，在軟件中自定義Excel報表模板，執行輸出報表命令系統將會自動獲取BIM模型工程量數據，如表5所示：

(4)BIM模型的工程量與施工招投標提供的工程量復核

通過BIM得到的工程量可以與投資監理單位通過傳統的計量方法得到的工程量進行對比，對于差異較大的項再進行復核，提高工程計量的準確性：

圖10 工程量校核

3 BIM技術在隧道工程中的應用存在問題分析

(1)設計單位多，三維設計軟件應用能力參差不齊，模型的應用深度很難統一，項目的進度無法精確把控;

(2)單一軟件平臺無法完成工程中涉及的所有BIM應用點，選用的軟件多，格式無法統一，模型整合難度大;

(3)項目各階段對模型要求不同，模型的重用性效率低;

(4)BIM軟件中可利用構件太少，需要花費大量的人力去完善隧道工程的構件庫，建模效率低下。

4 結語

通過BIM技術在楊高南路隧道工程中的成功應用，證明了BIM這種全新的三維設計方式，它不僅能滿足當前市政設計的需求，還能通過現代化的協同設計理念為業主提供高質量、規范化、清晰化、具體化的設計產品。同時BIM還能實現市政基礎設施項目從策劃、設計、施工到運營維護項目的全生命周期管理，真正完成項目的整體交付。未來BIM將會帶動市政行業全產業鏈的發展，業主、設計公司、施工單位、材料供應商、運維管理公司將由BIM緊密的聯系起來，這將是市政行業的一場全新的變革。

[1]孫曉琳.建筑信息模型在全過程工程造價管理中的價值及其應用.建設科技,2015,7(4): 84-85.

[2]徐曉宇.BIM技術在污水廠工程協同設計中的應用研究.建設科技,2015,7(4): 32-35.

[3]羅蘭,鐘凡.基于SketchUP的裝飾工程BIM技術應用研究.土木建筑工程信息技術,2013,4(2):37-42.

[4]馮川,廖勇.基于CAITA的BIM在簡支T型橋梁的應用.土木建筑工程信息技術,2013,4(2):14-19.

[5]張楠.基于BIM平臺的工程質量控制模式研究.土木建筑工程信息技術,2015, 7(5):78-81.

[6]朱偉南.基于達索平臺的BIM協同設計在水處理工程中應用.土木建筑工程信息技術,2015,7(5):39-44.

[7]陸海燕,鐘鐵夫,王秀文.基于BIM的框架結構參數化設計研究.土木建筑工程信息技術, 2015,7(5):107-112.

[8]吳吉明,趙旭,王娜,等．整體式BIM-設計思維與計算思維的整合.土木建筑工程信息技術,2015,7(5):1-8.

[9]張立川，張鵬程，劉燕妮．基于BIM體系的鋼筋優化下料初探.土木建筑工程信息技術, 2016,8(4):69-72.

[10]陳家遠，郜江，劉婧，等．BIM技術在上海天文館設計階段的應用.土木建筑工程信息技術, 2016,8(4):10-16.

BIM Technology Application in Urban Tunnel Engineering

Zhu Weinan

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(GROUP)Co.，Ltd.，Shanghai200092,China)

With in-depth application in the field of construction BIM technology in recent years，cases have also made a lot of work and experience，compared with construction，municipal engineering project for the application of BIM technology is relatively lagging behind，especially roads，Bridges，municipal infrastructure such as pipelines and tunnel，complicated construction conditions，the means of design，construction management is still old，investment control is weak，needs through effective technology management，improve the whole quality engineering technology in municipal engineering industry has increasingly in-depth application and promotion.With new Yang Gaona road tunnel project as an example，this paper focuses on the BIM technology application in urban tunnel project.

BIM Technical; 3D Collaborative Design; Engineering Calculation

朱偉南(1983-),男，中級工程師，上海市政總院數字工程中心BIM工程師。主要負責BIM技術在市政行業的應用。

TU17；U452.2;U455

A

1674-7461(2016)05-0071-07